CN111029893B - 双波长交替调q单纵模输出群脉冲激光器及激光输出方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器及激光输出方法,该激光器包括:第二泵浦源、第二光纤、第二耦合透镜组、第二激光全反射镜、第一激光全反射镜、第一耦合透镜组、第一光纤、第一泵浦源、第一激光增益介质、第二激光增益介质、第一起偏器、四分之一波片、第二起偏器、第一45°反射镜、第二45°反射镜、电光调Q晶体和激光输出镜。本发明可以获得较宽波长范围的双波长单纵模激光、以及较大的波长之间差值,在输出脉冲序列上呈现出双波长群脉冲交替状态,并且激光增益介质的种类不受限定。
Description
技术领域
本发明涉及固体激光器领域,特别是一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器及激光输出方法。
背景技术
高重复频率双波长激光器在远程激光测距、激光医疗、光电对抗、激光通信、激光雷达等领域都得到了广泛的应用。当双波长脉冲激光为单纵模激光时,则可在上述研究领域中进一步提高研究精度。若采用脉冲群的方式进行单纵模激光通讯、测距,则具有极强的保密性和抗干扰性。现有的普通调Q双波长脉冲激光器均是同时输出,且各脉冲之间都是固定时间间隔;其次,大多数双波长激光器都是采用单一激光增益介质来获得双波长激光的同时输出,当两种波长的激光在同一增益介质中产生时,其跃迁谱线之间存在着激烈的增益竞争,进而影响了激光输出的稳定性,而且输出的双波长激光多数为非单纵模激光。再者,要通过对输出镜透过率的精确设计来保证两种波长激光具有相同的阈值,这将给输出镜的膜系带来极大的挑战;另外,获得高重复频率的激光输出必然为激光器带来热透镜效应,进而影响输出激光光束质量,使激光器偏离稳定的工作状态。
目前公开的双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器的相关技术相对较少。如图1所示,在一与本发明相关的申请号为201310622452.9的在先专利中,所采用的结构主要包含半导体泵浦源101,第一非球面透镜102,第二非球面透镜103,激光前腔镜104,激光晶体105,Q开关106,激光输出镜107,偏振片108,隔离器109,λ/2波片110,偏振片111,普克尔盒112,全反镜113。但是已知技术存在以下五方面的不足:一,在大注入高重复频率条件下运转时,由于采用单一增益介质工作,自身热负担过重,会带来很严重的热透镜效应,从而在降低光束质量的同时还限制了单脉冲输出能量;二,获得的群脉冲序列波长单一,应用范围小;三,采用脉冲序列调控装置获得脉冲序列,系统体积庞大;四,采用普克尔盒相位调制,需使用配套电源驱动,结构复杂;五,值得指出的是,其所输出的双波长激光为非单纵模激光。
发明内容
为了解决上述现有技术中存在的技术问题,本发明提出一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器及激光输出方法。
根据本发明的一方面,提出一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器,所述激光器包括:第二泵浦源1、第二光纤2、第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4、第一激光全反射镜5、第一耦合透镜组6、第一光纤7、第一泵浦源8、第一激光增益介质9、第二激光增益介质10、第一起偏器11、四分之一波片12、第二起偏器13、第一45°反射镜14、第二45°反射镜15、电光调Q晶体16和激光输出镜17,其中:
所述第一耦合透镜组6、第一激光全反射镜5以及第一激光增益介质9依次置于所述第一泵浦源8的一侧;
所述第一泵浦源8通过所述第一光纤7连接于所述第一耦合透镜组6,用于为所述第一激光增益介质9提供泵浦光;
所述第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4以及第二激光增益介质10依次置于所述第二泵浦源1的一侧;
所述第二泵浦源1通过所述第二光纤2连接于所述第二耦合透镜组3,用于为所述第二激光增益介质10提供泵浦光;
所述第一激光全反射镜5、第一激光增益介质9、第一起偏器11、第一45°反射镜14、电光调Q晶体16以及激光输出镜17构成第一路激光谐振腔;
所述第二激光全反射镜4、第二激光增益介质10、四分之一波片12、第二起偏器13、第二45°反射镜15、第一45°反射镜14、电光调Q晶体16以及激光输出镜17构成第二路激光谐振腔。
可选地,所述第一激光增益介质9和所述第二激光增益介质10平行放置,且与激光输出方向一致。
可选地,所述第一起偏器11、第一45°反射镜14、电光调Q晶体16以及激光输出镜17依次置于所述第一激光增益介质9远离所述第一激光全反射镜5的一侧,其中,所述电光调Q晶体16和所述激光输出镜17垂直于激光输出方向放置。
可选地,所述四分之一波片12、第二起偏器13、第二45°反射镜15依次置于所述第二激光增益介质10远离所述第二激光全反射镜4的一侧。
可选地,所述第一45°反射镜14和第二45°反射镜15平行放置。
可选地,所述激光器还包括激光电源21,其中:
所述激光电源21与所述第一泵浦源8和第二泵浦源1连接,用于为所述第一泵浦源8和第二泵浦源1提供电源。
可选地,所述激光器还包括调Q模块18和调Q模块驱动系统19,其中:
所述调Q模块18与所述电光调Q晶体16连接,用于对所述电光调Q晶体16施加高压方波信号;
所述调Q模块驱动系统19与所述调Q模块18连接,用于对电光调Q晶体16施加高压方波信号。
可选地,所述激光器还包括中央控制系统20,其中:
所述中央控制系统20与所述激光电源21和所述调Q模块驱动系统19连接,用于控制所述激光电源21以及所述调Q模块驱动系统19的触发与延时。
可选地,所述第一激光增益介质9和所述第二激光增益介质10平行放置,且与激光输出方向一致。
根据本发明的另一方面,还提出一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光输出方法,应用于如上所述的激光器中,所述方法包括:
步骤S1,第一泵浦源8和第二泵浦源1分别等间隔泵浦第一激光增益介质9和第二激光增益介质10;
步骤S2,在所述第一泵浦源8和第二泵浦源1泵浦增益介质的一个周期内,对电光调Q晶体16多次施加和退去阶跃式四分之一波长电压,得到双波长交替调Q单纵模输出单周期群脉冲激光:对电光调Q晶体16施加阶跃式四分之一波长电压时,第一路激光谐振腔处于高损耗状态,第二路激光谐振腔处于低损耗状态,第二路激光谐振腔输出第二波长调Q巨脉冲单纵模激光;当对电光调Q晶体16退去阶跃式四分之一波长电压时,第二路激光谐振腔处于高损耗状态,第一路激光谐振腔处于低损耗状态,第一路激光谐振腔输出第一波长调Q巨脉冲单纵模激光;
步骤S3,周期性重复所述步骤S1和S2,得到等间隔的双波长交替调Q输出群脉冲单纵模激光。
本发明提出了一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器及激光输出方法。本发明可以获得较宽波长范围的双波长单纵模激光,以及较大的波长之间差值,在输出脉冲序列上呈现出双波长群脉冲交替状态,并且激光增益介质的种类不受限定。该激光器采用双泵浦源等间隔泵浦双激光增益介质,两个激光增益介质工作时间上存在间歇期,这样在高泵浦功率条件下能够极大地降低激光器的热效应,此外,该激光器能够获得大于200kHz的超高重频电光调Q脉冲单纵模激光输出,突破了传统电光调Q技术中重复频率的极限,为高重复频率单纵模激光的获得提供一种有效途径。
附图说明
图1是现有技术中输出群脉冲的激光器的结构示意图;
图2是根据本发明一实施例的一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器的结构示意图;
图3是根据本发明一实施例的各驱动信号的时序图;
图4是根据本发明一实施例的一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器的脉冲序列示意图;
图5是根据本发明一实施例的双波长交替调Q单纵模输出群脉冲的激光输出方法的流程图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,以下结合具体实施例,并参照附图,对本发明进一步详细说明。
根据本发明的一方面,提出一种激光器,实现双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器的结构如图2所示,其构成包括:第二泵浦源1、第二光纤2、第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4、第一激光全反射镜5、第一耦合透镜组6、第一光纤7、第一泵浦源8、第一激光增益介质9、第二激光增益介质10、第一起偏器11、四分之一波片12、第二起偏器13、第一45°反射镜14、第二45°反射镜15、电光调Q晶体16和激光输出镜17,其中:
所述第一耦合透镜组6、第一激光全反射镜5以及第一激光增益介质9依次置于所述第一泵浦源8的一侧。
所述第一泵浦源8通过所述第一光纤7连接于所述第一耦合透镜组6,用于为所述第一激光增益介质9提供泵浦光。
所述第二耦合透镜组3、第二激光全反射镜4以及第二激光增益介质10依次置于所述第二泵浦源1的一侧。
所述第二泵浦源1通过所述第二光纤2连接于所述第二耦合透镜组3,用于为所述第二激光增益介质10提供泵浦光。
所述第一激光全反射镜5、第一激光增益介质9、第一起偏器11、第一45°反射镜14、电光调Q晶体16以及激光输出镜17构成第一路激光谐振腔。
所述第二激光全反射镜4、第二激光增益介质10、四分之一波片12、第二起偏器13、第二45°反射镜15、第二45°反射镜14电光调Q晶体16以及激光输出镜17构成第二路激光谐振腔。
在上述实施方式中,第一耦合透镜组6用于将第一泵浦源8发出的光以布儒斯特角耦合进第一激光增益介质9中,第二耦合透镜组3用于将第二泵浦源1发出的光以布儒斯特角耦合进第二激光增益介质10中。
在本发明一实施方式中,所述第一激光增益介质9和所述第二激光增益介质10均为板条介质。
在本发明一实施方式中,所述第一激光增益介质9和所述第二激光增益介质10平行放置,且与激光输出方向一致。
在本发明一实施方式中,所述第一起偏器11、第一45°反射镜14、电光调Q晶体16以及激光输出镜17依次置于所述第一激光增益介质9远离所述第一激光全反射镜5的一侧,其中,所述电光调Q晶体16和所述激光输出镜17垂直于激光输出方向放置。
在本发明一实施方式中,所述四分之一波片12、第二起偏器13、第二45°反射镜15依次置于所述第二激光增益介质10远离所述第二激光全反射镜4的一侧。
在本发明一实施方式中,所述第一45°反射镜14和第二45°反射镜15平行放置。
在上述实施方式中,两个晶体所在的谐振腔共用一个激光输出镜17,其目的是实现共轴激光输出。
在本发明一实施方式中,所述激光器还包括激光电源21,其中:
所述激光电源21与所述第一泵浦源8和所述第二泵浦源1连接,用于为所述第一泵浦源8和第二泵浦源1提供电源。
在本发明一实施方式中,所述激光器还包括调Q模块18和调Q模块驱动系统19。
所述调Q模块18与所述电光调Q晶体16连接,用于对所述电光调Q晶体16施加高压方波信号。
所述调Q模块驱动系统19与所述调Q模块18连接,用于驱动所述调Q模块18对所述电光调Q晶体16施加高压方波信号。
在本发明一实施方式中,所述激光器还包括中央控制系统20,其中:
所述中央控制系统20与所述激光电源21和所述调Q模块驱动系统19连接,用于控制所述激光电源21以及所述调Q模块驱动系统19的触发与延时。
在上述实施方式中,所述中央控制系统20与所述激光电源21和所述调Q模块驱动系统19连接,用于对所述激光电源21和所述调Q模块驱动系统19进行同步控制。
在本发明一实施方式中,所述电光调Q晶体16所采用的晶体为普通的电光晶体(如LN、KD*P、KDP、LiNbO3等),调Q模块驱动系统19和调Q模块18对电光调Q晶体16施加阶跃式高压信号,该信号的前后沿阶跃式波形图如图3所示。
调Q驱动信号前后沿阶跃式波形图如图3所示,在脉冲的上升沿阶段和下降沿阶段均采用阶跃信号的形式,其主要目的是利用预激光技术获得双波长激光的单纵模输出。预激光技术的工作过程从时序上来说可以将其分为以下三个阶段:
a.种子光形成阶段
不同于一般的调Q技术,预激光技术使用的信号发生器为双台阶信号发生器,其产生信号为随时间变化的周期性阶跃式电压信号。以退压调Q为例,在高电压状态下,腔内损耗较高,激光器内部进行反转粒子积累;在高电压向低电压调节的过程中,腔内Q损耗由高变低。此时,部分反转粒子从高能级跃迁到低能级并产生光子形成种子光。
b.模式竞争阶段
当低电压施加于调Q晶体时,腔内损耗为较低值。延长低电压持续时间,则种子光将因不同模式间增益与损耗差值的存在而进行自然选模过程。同时又因为中心模式的单程增益略大于邻模、中心模式的单程损耗又略小于邻模,所以随着模式竞争过程的持续,其邻模将随持续时间的增加而逐渐消失,最终形成只有中心模式的单纵模种子光。
c.输出过程
完全打开Q开关,则大量反转粒子从高能级跃迁到低能级,并形成巨脉冲激光。其中单纵模种子光的强度量级远大于噪声,这使得种子光可以代替噪声作为激光的初始起振“噪声”,从而将自己放大并再一次抑制其他模式,形成单纵模脉冲激光。
本发明使用加压式电光调Q与退压式电光调Q相结合以实现双波长交替调Q单纵模群脉冲激光输出。第二泵浦源1和第一泵浦源8分别等间隔泵浦第二激光增益介质10和第一激光增益介质9。在泵浦源泵浦增益介质的每一个周期内,对电光调Q晶体16进行多次阶跃式加压和退压,就能获得双波长交替调Q单纵模群脉冲激光输出,这为获得高重复频率激光提供了一种有效途径。另外,由于两泵浦源等间隔泵浦增益介质,因此输出的每一周期双波长单纵模群脉冲之间存在一定间歇,这种间歇振荡可以有效缓解激光器的热效应。
双波长交替调Q单纵模群脉冲激光器的具体工作原理为:第二泵浦源1和第一泵浦源8分别等间隔泵浦第二增益介质10和第一增益介质9。在泵浦源泵浦增益介质的每一个周期内,对电光调Q晶体16多次阶跃式施加和退去电压。
对电光调Q晶体16施加四分一波长电压的过程中,由于第一路波长λ1激光经过第一起偏器11变成线偏振光,在外加电场的作用下,往返两次经过电光调Q晶体16后,原线偏振光的偏振方向发生了90度偏转,在第一起偏器11处偏振方向与其透射方向正交而被反射出谐振腔外,无法在谐振腔内形成振荡,从而使得谐振腔处于高损耗状态,第一激光增益介质9处于粒子数反转(储能)状态;当第一激光增益介质9的反转粒子数达到最大时,施加在电光调Q晶体16上的电压降低一部分,处于图3中的A阶段,在这阶段中形成λ1波长激光的种子光,并经过充分的模式竞争,形成λ1波长单纵模种子激光。在λ1波长单纵模种子激光形成后,λ1波长单纵模种子激光得以放大,最终形成λ1波长单纵模激光输出。当施加在电光调Q晶体16上的电压降为零时,第二路波长λ1激光的谐振腔在四分之一波片12的作用下,将往返经过电光调Q晶体16的偏振光的偏振方向旋转了90度,这样就使得在第二起偏器13处与其透射方向正交,从而使得第二激光增益介质10的谐振腔处于高损耗状态,处于粒子数反转(储能)状态。当第二激光增益介质10的反转粒子数达到最大时,对电光调Q晶体16施加一低电压值,处于图3中的B阶段,在这阶段中形成λ2波长激光的种子光,并经过充分的模式竞争,形成λ2波长单纵模种子激光。在λ2波长单纵模种子激光形成后,将施加在电光调Q晶体16上的电压升至为四分之一波长电压,λ2波长单纵模种子激光得以放大,最终形成λ2波长单纵模激光输出。
本发明的实施例如图2所示,并对其进行如下具体化:第一激光增益介质9为Nd:YAG晶体,尺寸为100mm(z)×15mm(y)×12mm(x),两端镀1319nm增透膜,其透过率大于99%;第二激光增益介质10为Nd:YVO4晶体,尺寸为100mm(z)×15mm(y)×12mm(x),两端镀1064nm增透膜,其透过率大于99%。第一激光全反射镜5为平-凹镜,且凹面镀1319nm高反射率膜,其反射率大于99%;第二激光全反射镜4为平-凹镜,且凹面镀1064nm高反射率膜,其反射率大于99%。激光输出镜17为平-平镜,且靠近腔内的一面镀1319nm&1064nm部分透过率膜,其中1319nm的透过率为4%,1064nm的透过率为6%,外侧镀1319nm&1064nm激光的抗反膜。第一起偏器11镀1319nm激光布儒斯特角增透膜,其透过率大于98%;第二起偏器13镀1064nm激光布儒斯特角增透膜,其透过率大于98%。四分之一波片12对应波长为1064nm,且两通光面镀1064nm增透膜,其透过率大于98%。第一45°反射镜14和第二45°反射镜15的通光面均镀1319nm&1064nm激光的增透膜,其中1319nm和1064nm的透过率均大于98%。第一激光增益介9的第一泵浦源8和第二激光增益介10的第二泵浦源1均为808nm激光二极管组成的条形阵列。中央控制系统20主要控制激光电源21以及调Q模块驱动系统19的触发与延时。施加在激光电源21以及调Q模块驱动系统19各信号的时序如图3所示。其中,V1为激励第一激光增益介9的第一泵浦源8的波形,V2为激励第二激光增益介10的第二泵浦源1的波形,VQ为施加在电光调Q晶体16上的电压波形。对于图2中所示的结构方案而言,退压时将产生波长λ1调Q单纵模激光输出,加压时则产生波长λ2调Q单纵模激光输出。从整个时间序列上来看,则产生如图4所示的双波长交替调Q单纵模输出脉冲激光器的脉冲序列。
本发明还提出一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光的激光输出方法,如图5所示,所述方法包括步骤S701-S705:
在步骤S701中,第一泵浦源8和第二泵浦源1采用低重复频率宽脉冲等间隔泵浦第一激光增益介质9和第二激光增益介质10;
在步骤S702中,在所述第一泵浦源8和第二泵浦源1泵浦增益介质的每个周期内,对电光调Q晶体16施加阶跃式电压,第一波长激光谐振腔处于高损耗状态,第二波长激光谐振腔处于低损耗状态,输出λ2波长单纵模激光;
在步骤S703中,在所述第一泵浦源8和第二泵浦源1泵浦增益介质的每个周期内,对电光调Q晶体16退去阶跃式电压,第二波长激光谐振腔处于高损耗状态,第一波长激光谐振腔处于低损耗状态,输出λ1波长单纵模激光;
在步骤S704中,依次重复所述步骤S702-S703,得到双波长交替调Q输出单周期单纵模群脉冲激光;
在步骤S705中,周期性的重复所述步骤S701和步骤S704,得到双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光。
以上所述的具体实施例,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施例而已,并不用于限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光器,其特征在于,所述激光器包括:第二泵浦源(1)、第二光纤(2)、第二耦合透镜组(3)、第二激光全反射镜(4)、第一激光全反射镜(5)、第一耦合透镜组(6)、第一光纤(7)、第一泵浦源(8)、第一激光增益介质(9)、第二激光增益介质(10)、第一起偏器(11)、四分之一波片(12)、第二起偏器(13)、第一45°反射镜(14)、第二45°反射镜(15)和电光调Q晶体(16)和激光输出镜(17),其中:
所述第一耦合透镜组(6)、第一激光全反射镜(5)以及第一激光增益介质(9)依次置于所述第一泵浦源(8)的一侧;
所述第一泵浦源(8)通过所述第一光纤(7)连接于所述第一耦合透镜组(6),用于为所述第一激光增益介质(9)提供泵浦光;
所述第二耦合透镜组(3)、第二激光全反射镜(4)以及第二激光增益介质(10)依次置于所述第二泵浦源(1)的一侧;
所述第二泵浦源(1)通过所述第二光纤(2)连接于所述第二耦合透镜组(3),用于为所述第二激光增益介质(10)提供泵浦光;
所述第一激光全反射镜(5)、第一激光增益介质(9)、第一起偏器(11)、第一45°反射镜(14)、电光调Q晶体(16)以及激光输出镜(17)沿激光振 荡方向依次排列,构成第一路激光谐振腔;
所述第二激光全反射镜(4)、第二激光增益介质(10)、四分之一波片(12)、第二起偏器(13)、第二45°反射镜(15)、所述第一45°反射镜(14)、所述电光调Q晶体(16)以及所述激光输出镜(17)沿激光振 荡方向依次排列,构成第二路激光谐振腔。
2.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述第一激光增益介质(9)和所述第二激光增益介质(10)平行放置,且与激光输出方向一致。
3.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述第一起偏器(11)、第一45°反射镜(14)、电光调Q晶体(16)以及激光输出镜(17)依次置于所述第一激光增益介质(9)远离所述第一激光全反射镜(5)的一侧,其中,所述电光调Q晶体(16)和所述激光输出镜(17)垂直于激光输出方向放置。
4.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述四分之一波片(12)、第二起偏器(13)、第二45°反射镜(15)依次置于所述第二激光增益介质(10)远离所述第二激光全反射镜(4)的一侧。
5.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述第一45°反射镜(14)和所述第二45°反射镜(15)平行放置。
6.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述激光器还包括激光电源(21),其中:
所述激光电源(21)与所述第一泵浦源(8)和所述第二泵浦源(1)连接,用于为所述第一泵浦源(8)和所述第二泵浦源(1)提供电源。
7.根据权利要求6所述的激光器,其特征在于,所述激光器还包括调Q模块(18)和调Q模块驱动系统(19),其中:
所述调Q模块(18)与所述电光调Q晶体(16)连接,用于对所述电光调Q晶体(16)施加高压方波信号;
所述调Q模块驱动系统(19)与所述调Q模块(18)连接,用于驱动所述调Q模块(18)对所述电光调Q晶体(16)施加高压方波信号。
8.根据权利要求7所述的激光器,其特征在于,所述激光器还包括中央控制系统(20),其中:
所述中央控制系统(20)与所述激光电源(21)和调Q模块驱动系统(19)连接,用于控制所述激光电源(21)以及所述调Q模块驱动系统(19)的触发与延时。
9.根据权利要求1所述的激光器,其特征在于,所述第一激光增益介质(9)和所述第二激光增益介质(10)均为板条介质。
10.一种双波长交替调Q单纵模输出群脉冲激光输出方法,应用于如权利要求1-9任一项所述的激光器中,其特征在于,所述方法包括:
步骤S1,第一泵浦源(8)和第二泵浦源(1)分别等间隔泵浦第一激光增益介质(9)和第二激光增益介质(10);
步骤S2,在所述第一泵浦源(8)和第二泵浦源(1)泵浦增益介质的一个周期内,对电光调Q晶体(16)多次施加和退去阶跃式四分之一波长电压,得到双波长交替调Q单纵模输出单周期群脉冲激光:对电光调Q晶体(16)施加阶跃式四分之一波长电压时,第一路激光谐振腔处于高损耗状态,第二路激光谐振腔处于低损耗状态,第二路激光谐振腔输出第二波长调Q巨脉冲单纵模激光;当对电光调Q晶体(16)退去阶跃式四分之一波长电压时,第二路激光谐振腔处于高损耗状态,第一路激光谐振腔处于低损耗状态,第一路激光谐振腔输出第一波长调Q巨脉冲单纵模激光;
步骤S3,周期性重复所述步骤S1和S2,得到等间隔的双波长交替调Q输出单纵模群脉冲激光。
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